كيف الجيل القادم من نظم الرادار تحسن كفاءة الاتصالات في الفضاء الجوي

The Evolution of Radar Technology in Air Traffic Management

وقد حدث تحول عميق في الاتصالات والمراقبة في الفضاء الجوي خلال القرن الماضي، ومنذ الأيام الأولى من التوجهات اللاسلكية الأرضية التي تتوصل إلى إدخال الرادار الرئيسي خلال الحرب العالمية الثانية، كان كل جيل من التكنولوجيا يهدف إلى زيادة دقة وسرعة وموثوقية الطائرات التي تتعقبها، واليوم تمثل الجيل القادم من الرادار أحدث قفزة للأمام، وتدمج التجهيز الرقمي، والهوائيات التدريجية، وتوليد البيانات من أجل إقامة شبكة اتصالات تتسم بقدر كبير من الكفاءة.

من الرادار الابتدائي إلى الثانوي

وقد ظلت الرادار الرئيسي، الذي يعتمد على النبضات المشعة المصورة للكشف عن الطائرات، العمود الفقري للمراقبة الجوية، غير أنه ينطوي على قيود كبيرة: إذ لا يمكن تحديد الطائرات التي تتجاوز نطاقها على شاشة، كما أنه قابل للتأثر بالبطاقات الجوية، ويقيد نطاقه بفيزياء خطية البصر.

The Rise of Digital Signal Processing

وتؤثر نظم الرادار الحديثة على تجهيز الإشارات الرقمية بسرعة عالية على تصفية الضوضاء، وقمع الحزم، واستخراج مسارات واضحة من الأهداف حتى أكثر البيئات تحدياً، وعلى عكس الرادارات اللاهوتية التي كانت محدودة بمصفوفات الأجهزة، يتيح نظام المعلومات الإدارية للأجهزة التكييفية تعديل أجهزة الإنذار التكييفية في الوقت الحقيقي، وهذا يعني أن محطة رادارية يمكن أن تقلل تلقائياً من التدخل في المجال الجوي للريات الحضرية أو في أنماط الكشف عن مسارات الجوية أو عن آثارها دون حدوث تحسنات المناخية.

التكنولوجيات الأساسية خلف الجيل القادم

ومن الضروري فهم لبنات البناء في هذه النظم المتقدمة من أجل تقدير أثرها على كفاءة الاتصالات، وتبرز أربعة تكنولوجيات رئيسية هي: الهوائيات ذات النطاقات المرحلية، والتصوير الرقمي، والتتبع التكييفي، وتكامل البيانات بين مصادر متعددة.

مرحلتان من طراز آري آنتينا و Beamforming

ويمسح الرادار الميكانيكي التقليدي شعاعاً واحداً عبر السماء باستخدام طبق متناوب، مما يحد من معدلات التحديث ويدفع جميع الأهداف إلى المسح المتسلسل، كما أن الهوائيات المصففة المرحلية، على النقيض من ذلك، تتألف من مئات أو آلاف العناصر المشعّة الصغيرة التي تُوجّه الشعاع الراداري في الثانية الصغرى، مما يمكّن الرادار من تتبع أهداف متعددة في آن واحد عبر زوايا مختلفة، ويعطي الأولوية للتواصل السريع أو المستجدات.

إن القدرة على تشكيل شعاعات متعددة من صفيفة واحدة تخلق نموذجا جديدا للاتصال بالحركة الجوية، وبدلا من تحديد ترددات منفصلة للصوت والبيانات، يمكن للرادار ذي النطاق المرحلي أن يخصص جزءا من وقته في الاتصالات الرقمية مع الطائرات داخل منطقة تغطيته، وهذا الدمج في المراقبة والاتصالات يقلل من درجة الرطوبة ويبسط الظواهر الجوية المطلوبة على الطائرات، كما يمكن أن يخدم نفس المهام.

التتبع الإيجابي والقدرة على التكيف البيئي

وتشمل الجيل القادم من الرادارات خوارزميات تتبع التكيف التي تضبط دينامياً البارامترات مثل تردد نبضات القلب، وشكل الموجات، وناتج الطاقة استناداً إلى البيئة الحالية، وعلى سبيل المثال، إذا كان العاصفة الرعدية تخلق عوائد هطولية ثقيلة، يمكن للرادار أن يتحول إلى نمط لضبط الترددات أو يستخدم التنوع في الاستقطاب للتمييز بين قطرات الأمطار والطقساط.

وعلاوة على ذلك، فإن التتبع التكييفي يقلل من عبء العمل على متحكمي البشر عن طريق عمليات التسليم التلقائي بين القطاعات الرادارية، ويمكن للنظام أن يقيّد مسبقا أفضل نقطة انتقال ويبدأ نقل البيانات قبل عبور الطائرة للحدود، بما يكفل عدم وجود فجوة في التغطية، وهذا التسليم المتعثر أمر حاسم للحفاظ على الاتصالات المستمرة مع تزايد حجم حركة المرور.

تكامل البيانات ودمجها

ولا يمكن لأي جهاز استشعار واحد أن يوفر وعيا كاملا، إذ أن الجيل القادم من الرادارات مصممة لتفريغ البيانات من مصادر متعددة - بما في ذلك الرادار الأولي، والرادار الثانوي، ومحطات الساتل ADS-B الأرضية، والمراقبة التلقائية الساتلية على المناطق المحيطية، بل وحتى الرادارات الجوية، ويمكن أن تؤدي محركات الدمج المتقدمة إلى تلازم هذه المصادر المتباينة، وتحلي أوجه الالتباس، وتنتج صورة متكاملة واحدة عن المجال الجوي.

فعلى سبيل المثال، عندما يفشل جهاز مرسل مستجيب للطائرات، يمكن لمحرك الإندماج أن يواصل تتبعه باستخدام الرادار الرئيسي في حين يُعلِم فقدان البيانات الثانوية، ويمكن للمراقب أن يستخدم وصلة بيانات رقمية لتحذير حركة المرور القريبة بدلا من الاعتماد فقط على التعليمات الصوتية، ويجري بالفعل نشر هذه القدرات في مراكز حديثة لمراقبة الحركة الجوية مثل برنامج الفريقين المقبل التابع لوكالة الطيران المدني الدولية ومبادرة منطقة جنوب شرق أوروبا.

تعزيز كفاءة الاتصالات في الفضاء الجوي

ولا تقاس كفاءة الاتصالات في مجال إدارة المجال الجوي بالسرعة فحسب بل بالوضوح والموثوقية والقضاء على التبادلات الزائدة عن الحاجة، وتسهم نظم الرادار الجيل القادم في جميع العوامل الثلاثة.

تبادل البيانات في الوقت الحقيقي والحد من الاحتياطات

ويمكن للصفوف المرحلية الرقمية أن تستكمل المسارات كل ١-٢ ثانية، وتوفر بيانات متصلة تقريبا وبيانات السرعة، وهذا النقص المنخفض بالغ الأهمية في النهج العالية الكفاءة أو عند التنسيق مع نظم الطائرات غير المأهولة التي تتطلب وصلات سريعة بين القيادة والتحكم.

وعلاوة على ذلك، يمكن أن تكون الرادار الحديثة بمثابة نقلة عالية النطاق للبيانات فيما يتعلق بخدمات الاتصالات الجوية في المستقبل مثل نظام الاتصالات الرقمية للشبكة L.

تحسين التنسيق مع آلية التشغيل

فالجيل القادم من البيانات الرادارية تغذي مباشرة أدوات آلية لدعم القرار، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تحلل الخوارزميات التي تُتوقع أن تُجرى وتصدر تحذيرات للمراقبين، الذين يمكنهم بعد ذلك إصدار التصاريح عن طريق وصلات البيانات بدلا من الصوت، مما يقلل من اكتظاظ القنوات الصوتية ومن قدرة المتحكمين الحرة على التركيز على الأحداث غير الحديدية، كما يدعم التلقون تشكيلات الجوية الدينامية، حيث يمكن دمج القطاعات في عمليات الصرافة.

وفي المناطق الطرفية، تستخدم أدوات التتابع التي تستخدم بالرادار مثل إدارة تدفق موجات الترددات ذات القاعدة الزمنية في وكالة الطيران المدني الدولي تقديرات دقيقة لزمن الوصول تولد من مسارات الرادار إلى تحديد تسلسل الهبوط، مما يقلل من أنماط الحيازة وحرق الوقود، في حين أن عمليات الاتصال تلك الجداول تتم عن طريق تبادل البيانات الرقمية التي تكون أقل عرضة للخطأ من التعليمات الصوتية.

أمن الفضاء الحاسوبي في مجال الاتصالات الرادارية

ومع أن الرادارات تصبح أكثر تحديدا للبرامجيات وربطا بالشبكة، يصبح أمن الفضاء الإلكتروني أمرا بالغ الأهمية، إذ أن نظم الجيل القادم تتضمن التشفير والتوثيق والتحقق من النزاهة في طبقة وصل البيانات، وعلى سبيل المثال، يمكن لشبكة البيانات في مودي س أن تستخدم بروتوكولات الاستجابة للتحديات للتحقق من أن قيادة التطهير تنشأ من محطة أرضية مشروعة، مما يحول دون الاختناق، كما أن رسائل نظام ADS-B لا تزال موثقة باستخدام التوقيعات المتحركة.

استحقاقات مراقبة الحركة الجوية والقيادات

والمستفيدون النهائيون من تحسين كفاءة الاتصالات هم المهنيون الذين يديرون ويطيرون الطائرات يوميا ويمكن تجميع الفوائد الملموسة في ثلاثة مجالات هي: السلامة والكفاءة التشغيلية والأثر البيئي.

تحسين السلامة

ويقلل الاتصال الواضح والدقيق وفي الوقت المناسب بصورة مباشرة من خطر وقوع أخطاء في العمليات، إذ يتلقى الطيارون، في الجيل القادم، ارتفاعاً وتوجهاً لتغييرات عبر وصلة بيانات بالنسخة التلقائية، مما يزيل إمكانية الاستماع إلى العدد الخطأ أو قوله، ويتمتع المراقب الماليون بصورة أكثر ثراء وأكثر موثوقية لحالة المرور، مما يقلل من احتمال فقدان الانفصال، وفي حالة الطوارئ، يمكن للتتبع التكييفي للرادار أن يعطي الأولوية للطائرات التي تعاني من المحنة، مع ضمان تحديث مواقعها بشكل أكثر تواتراً.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن دمج بيانات الطقس مع مسارات الرادار يتيح للمراقبين أن يتوجهوا بصورة استباقية إلى الطائرات حول الطقس الحاد، وأن يبلغوا تلك التغييرات رقميا قبل أن يطلب الطيار انحرافا، وقد تبين أن هذا النهج الاستباقي يخفض بدرجة كبيرة الحوادث المتصلة بالطقس.

الكفاءة التشغيلية

وتقيس شركات الطيران ومقدمو خدمات الملاحة الجوية الكفاءة من حيث انخفاض التأخيرات، والصور الضوئية للرحلات، وانخفاض استهلاك الوقود، وتدعم الجيل القادم هذه الأهداف بتمكينها من اتباع نهج أكثر دقة، وعمليات الهبوط المستمرة، مع زيادة الرعي في بيانات المراقبة، يمكن لمراقبي الحركة الجوية أن يقلل من سرعة الفصل من 5 أميال بحرية إلى 3 أميال بحرية أو أقل في مجال جوي معين، مما يزيد من القدرة دون وجود اتصال مباشر جديد.

وعلاوة على ذلك، فإن ارتفاع معدلات التحديث يساعد على زيادة تسلسل الوافدين، مما يقلل من الحاجة إلى حيازة أكوام، ووفقا للدراسات التي أجراها المكتب الأوروبي، فإن كل دقيقة من فترات الانتظار تتجنب تحقيق فوائد اقتصادية وبيئية كبيرة، كما أن العمود الفقري الذي يوفره الرادار هو عنصر أساسي في رفع هذه الإجراءات.

الأثر البيئي

ومن خلال تمكين الجيل القادم من الجيل القادم من الرادار من زيادة توجيه مسارات الجيل، وقلة الإمساك، والتصويب الأمثل للتسلق/الاستخلاص، يقلل من انبعاثات غازات الدفيئة، ويعني كفاءة الاتصالات أقل من الدردشة اللاسلكية، مما يقلل بدوره من العبء المعرفي على الطيارين والمتحكمين، مما يتيح لهم اتخاذ قرارات تكتيكية أفضل، ويتوقف هدف صناعة الطيران المتمثل في النمو المحايد الكربوني بحلول عام ٢٠٥٠ اعتمادا شديدا على هذه التحسينات التشغيلية، كما أن نظم الرادار الحديثة هي نظم رادار الحديثة.

المستقبل: AI, Machine Learning, and Beyond

وفي حين أن الجيل القادم من الرادار يحقق بالفعل تحسينات قابلة للقياس، فإن الأفق يحمل وعدا أكبر، ويجري إدماج الاستخبارات الفنية والتعلم الآلي في نظم الرادار لتعزيز القدرات التنبؤية، وتبادل الاتصالات الروتينية الآلي، بل وحتى الكشف عن الشذوذ في الوقت الحقيقي.

AI-Enhanced Radar and Predictive Communication

ويمكن لنماذج التعلم من الآلات أن تحلل مسارات الرادار التاريخية وأنماط الاتصال لتوقع حدوث نزاعات أو ذروة عبء العمل في المستقبل، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يتوقع أحد وكالات الاستخبارات المالية أن يُحمَّل أكثر من اللازم في غضون 30 دقيقة، وأن يوصي بإعادة توجيه الرحلات قبل حدوث الازدحام، ويمكن إبلاغ هذه التوصيات إلى الطيارين عبر وصلة البيانات باعتبارها رسائل استشارية، مما يقلل من الحاجة إلى تعليمات صوتية رديئة.

التكامل مع إدارة حركة المرور غير المأهولة

ونظراً إلى أن الطائرات بدون طيار وغيرها من الطائرات غير المأهولة، يجب أن تتصل نظم الرادار ليس فقط بالطيران التقليدي المأهول بل أيضاً بنظم الصرف الآلي، ويستهدف الجيل التالي العمل مع الكشف عن الطائرات الآلية التعاونية وغير التعاونية، باستخدام نفس بروتوكولات وصل البيانات الرقمية لتجنب أوامر أو تصحيحات الطوابق، وتتوقف كفاءة الاتصالات الجوية على القدرة على التعامل مع آلاف الطائرات الصغيرة ذات السعة المنخفضة، والرادارات المتطورة.

نحو فسحة متكاملة متكاملة

وعلى المدى الطويل، من المرجح أن يصبح الرادار جزءا من شبكة مشرقة أوسع تشمل المراقبة الساتلية )مثل محطة إيريديوم NEXT أو Aireon(، ومحطات قاعدية أرضية LTE/5G، ومواقع نقل جوي، ويمكن لكل عقد أن يتصل بالطائرات باستخدام رسائل رقمية موحدة، وستكون البيانات الرادارية أحد المدخلات فيما بين العديد منها، وتتوقف كفاءة هذا النظام على الحد الأدنى من محطات الرادار الأساسية التي يمكن أن تتحول بين الجيل للمراقبة والاتصال.

وهناك عدة مبادرات بحثية، مثل مشروع بي جي 19 التابع للاتحاد الأوروبي، وجهود الحركة الجوية المتقدمة التي تبذلها ناسا، تقوم بالفعل باختبار هذه المفاهيم في الميدان، وتظهر النتائج أنه من خلال الجمع بين رادار صفائف متدرجة وبروتوكولات اتصال معرفية، يمكن مضاعفة القدرة على المجال الجوي دون المساس بالسلامة.

خاتمة

إن نظم الرادار الجيل القادم أكثر بكثير من مجرد تحديث للتكنولوجيا القديمة - تمثل تحولاً في النموذج في كيفية إجراء الاتصالات في المجال الجوي، ومن خلال استخدام صفائف متدرجة، وتجهيز الإشارات الرقمية، والتتبع التكييفي، والاندماج الشامل للبيانات، فإن هذه الرادارات تحقق مستوى من الكفاءة لا غنى عنه للطيران الحديث، ويتلقى المراقبون بيانات أنظف، ويستفيدون من ازدحام الصوت المخفض، ومن تصفية الحركة الرقمية، ويستمر اتساع هامش الأمان العام.

إن مقياس النجاح النهائي هو نظام يتسم بقدر من الكفاءة بحيث يصبح الاتصال حرفياً يتسم بالشفافية وينتقل عبر المجال الجوي بأقل قدر من التفاعل البشري، ويسترشد بالقيادات الرقمية الدقيقة ويدعمه مراقبة لا تتردد، ويجعل الجيل القادم من الرادار هذه الرؤية حقيقة، مساراً واحداً في كل مرة.

For further reading on SESAR and FAA nextGen initiatives, see ]SESAR Joint Undertaking and FAA nextGen. For technical details on phased array radio, the ]MITRE Corporation